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探究高吸力与低应力环境下非饱和土的力学响应机制
一、引言
1.1研究背景与意义
在土木工程领域,非饱和土是极为常见的一种土体类型。地球表面广泛分布着非饱和土,无论是干旱、半干旱地区,还是河、海附近的土层,都可能处于非饱和状态。例如在水利工程中,堤坝的填筑土料多为非饱和土,其强度和变形特性直接关系到堤坝的稳定性与防渗性能;在建筑工程里,基础的持力层常常涉及非饱和土,它对建筑物的沉降和承载能力起着关键作用;道路工程中,路基土也多是非饱和土,其性能影响着道路的使用寿命和行车安全。
非饱和土是一种由土颗粒(固相)、孔隙水(液相)、孔隙气(气相)以及气-液接触面(收缩膜)共同构成的多相体系。与饱和土相比,非饱和土的物理状态、粒间作用力、渗透性、应力应变关系、变形与固结、抗剪强度、孔隙水力等性质都更为复杂。传统土力学理论和试验方法大多是针对饱和土建立的,难以直接应用于非饱和土。然而,工程实践中大量遇到的却是非饱和土,若不能准确掌握其强度和变形特性,可能会导致工程事故的发生,造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,深入研究非饱和土的强度和变形特性具有重要的现实意义。
高吸力及低应力状态在实际工程中并不罕见。例如在干旱地区,由于水分的大量蒸发,土体常处于高吸力状态;而在一些浅层地基、边坡表层等部位,土体则处于低应力状态。在这些特殊条件下,非饱和土的强度和变形特性会呈现出与常规条件下不同的规律。研究高吸力及低应力下非饱和土的强度和变形特性,有助于完善非饱和土力学理论体系,为工程设计和施工提供更准确的理论依据,从而提高工程的安全性和可靠性。
1.2国内外研究现状
国外对于非饱和土的研究起步较早。20世纪60年代前,主要以毛细作用为研究重点,当时的工程师们利用毛细作用来解释地下水位以上土体中的水流问题。60年代到80年代末,Bishop和Fredlund等学者将饱和土有效应力原理引入非饱和土研究中,在非饱和土强度问题上取得了一些公认成果,但对变形问题还处于探索阶段。80年代以后,Alonso和Toll分别提出了土的弹塑性本构模型,Alonso还针对膨胀土的变形特征提出了相应的本构模型,使得对非饱和土变形的研究更加深入。此后,连续介质力学逐渐成为非饱和土研究的基础,各种先进的工具和技术也被广泛应用于非饱和土的研究中。
国内学者也在非饱和土领域开展了大量研究工作。通过室内试验、现场监测和数值模拟等手段,对非饱和土的基本特性、力学模型和工程应用等方面进行了深入探讨。在非饱和土的抗剪强度理论、本构模型以及非饱和土在基坑工程、边坡工程中的应用等方面都取得了显著成果。
然而,当前对于高吸力及低应力下非饱和土的强度和变形特性研究仍存在不足。一方面,在高吸力条件下,对吸力的作用机制认识还不够全面,现有研究往往将吸力简单等同于毛细作用,忽略了吸附作用的影响,导致对非饱和土在高吸力下的性质和行为认识存在偏差。另一方面,在低应力状态下,传统的土力学理论大多着眼于较大压应力下土体的强度和变形特性,难以准确描述低应力及拉应力作用下土体基于拉剪、压剪等不同破坏模式时的应力-应变关系。此外,针对高吸力及低应力同时作用下非饱和土的强度和变形特性的研究较少,缺乏系统的理论和试验研究。
1.3研究内容与方法
本文主要研究非饱和土在高吸力及低应力下的强度和变形特性,具体内容包括以下几个方面:
基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,建立非饱和土抗剪强度模型:假定只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态,分别给出这两种理想状态的抗剪强度模型,再利用二元介质模型建立适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型,研究吸力对非饱和土力学性质的影响。
研究高吸力下非饱和土的强度和变形特性:针对高岭土-河砂配制的非膨胀性黏性土,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法,从脱湿和吸湿两种吸力路径下对土体施加高吸力,测试高吸力下土体的强度和变形特性,并结合试验结果分析吸力对土体强度和变形的作用机制。
研究低应力下非饱和土的强度及剪胀特性:通过宽广含水率变化范围内非饱和压实土低应力下的直剪试验和抗拉强度试验,研究低应力及拉应力下非饱和土的强度及剪胀特性,分析非饱和土拉应力区的强度包线、峰值强度及剪胀作用的变化特性,结合三轴压缩试验讨论非饱和土破坏包线的构成方法及不同含水率下土体破坏包线的变化特性。
建立低应力下非饱和土剪切变形特性的本构模型:基于低应力下不同含水率的非饱和压实土剪切时的应力-应变特性试验结果,探讨临界状态方程、剪胀方程以及最小剪胀率的预测方法,类比饱和土的Nor-Sand模型框架,建立适用于不同含水率下非饱和压实土剪切变形特性的本构模型。
在研究方法上,采用实验与理论分析相结合的方式。通过室内土工试验,如三轴压缩试验、直剪试验
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